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第五章 有机溶剂中的酶催化反应 第一节 非水介质中酶学基础 用于酶催化的非水介质包括: 含微量水的有机溶剂 与水混溶的有机溶剂和水形成的均一体系 水与有机溶剂形成的两相或多相体系 胶束与反胶束体系 超临界流体 气相 非水介质中酶的结构 有机介质中的酶促反应的优越性 原先的认识: 1)我们以前的酶学理论知道,酶溶解在水溶液中,而且酶一定是在水溶液中才能反应,又知道水是个极性分子,酶只能在极性溶剂中反应。 2)我们又知道有机溶剂是酶的变性剂,用了以后,应该在尽可能短的时间内去除有机溶剂,再把酶溶解于水中,以防止酶的变性和失活。 现在酶工程技术的发展,已经告诉我们,酶 反应可在有机介质中进行,已经成为酶工程、酶 化工研究的一个新的领域,开辟了一个新的研究 方向。 有机介质中酶促反应优越性被认为至少有以下优点: 1)有利于疏水性底物反应 2)提高酶反应T,加速反应V,提高酶反应稳定性。 3)可以催化一些在水相中不能进行的反应。 4)可以改变反应的平衡方向。 5)控制底物的专一性。 6)防止由水引起的付反应。 7)扩大反应的pH范围. 8)有利于酶的固定化。 9)酶、产物容易回收。 10)消除底物、产物的抑制作用。 11)防止微生物的污染。 第二节 反应条件: 一句话,条件要适宜,在一个特定条件下进行,。 一、 保证必需水含量 水是保证酶催化反应的必需条件,活性构象 是水分子直接或间接由氢键等非共价键相互作用来 维持。 因此与酶分子紧密结合的一单层水分子对催 化作用非常重要。而其他的水则相对不那么重要 (即由有机介质替代的那部分水不那么重要了)。 必需水:是维系酶构象稳定和酶催化活性所必需 的那部分最少量的水分子, 有时也叫结合水,或者束缚水。 只要那部分必需水不丢失, 其他的大部分水可 以由有机溶剂代替. 所以,有机介质中的酶促反应在微观上看是 水的酶反应,但是在宏观上看是有机介质中的酶反 应。如有的酶反应即使水只占0.015%, 酶仍然有 活性,可以进行酶反应, 而且反应速度非常快。 下面是一个胰脂肪酶的反应速度---水含量的关系图。 一般认为,一个酶结合水的过程分4步: 1.首先与酶分子表面的带电基团结合一部分水(0- 0.07g/g(水/酶))。 2.再与酶分子表面的极性基团结合一部分水(0.07-0.25g/g(水/酶))。 3.再聚集到表面相互作用较弱的部位(0.25-0.38g/g(水/酶))。 4.最后酶分子表面完全水合化,水分子覆盖酶分子表面。 二、必需水含量问题: 一般因酶分子本身, 或溶剂系统不同而有所不同。 如脂肪酶有几个水分子, 胰凝乳蛋白酶几十个水分子, 乙醇脱氢酶、多酚氧化酶有几百个水分子。 另外同一个酶在不同溶剂系统中含水也不同。 如胰凝乳蛋白酶,在甲苯中,含水0.5%; 氯仿等系统中,含水1.0%,酶活性最高。 一般酶要发挥它的催化活性,必须与有机溶剂系统获得水分以维持酶必要的水合状态。 三、 酶种类的选择 酶选择原则: 在有机介质中酶有不变性的潜在能力,即能保持酶催化活性的构象和催化能力。 由于酶的组成、结构、构象多样化,所以不能认为所有的酶都可以在有机介质中反应。 但是,一般现在的资料显示认为大多数酶可以做到。而有些酶在有机介质中可以进行,在水中却不能反应,如脂肪酶、蛋白酶、次黄嘌呤氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶、醛缩酶、多酚氧化酶、醇脱氢酶、细胞色素氧化酶、ATP酶,胆固醇氧化酶等。这些酶有些属膜酶,在水溶液中反而不稳定。 酶是否适于在有机介质中反应,除与酶性质有关外,还取决于酶-底物、产物-溶剂间的关系问题。 这完全需要用实验来决定。 四、 酶形式的差别 酶在有机介质中的溶解特性、稳定性、活性等,对酶的选择很重要。 1) 将酶做成冻干粉,然后在有机介质中充分搅拌,超声波处理,使得颗粒变小,悬浮于介质中。 2)控制酶量的问题 需要适量。如α-凝乳蛋白酶在乙醇中的转脂反应,随着加酶量的下降,活性反而上升,速度快。 可能理由: 被认为在水含量不变的情况下,酶少到一个合适的浓度,可以使酶聚合体变小,反而增大了酶-底物接触的面,减少了底物扩散的限制,酶反应速度反而加快。 3)酶化学修饰的问题 化学修饰可以改变酶的一些理化性质,有利于酶在有机溶剂中的稳定性,原先不稳定的酶经
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